سیلیکات لایه ای| معرفی خانواده تالک، میکا و رس

سیلیکات‌ها دسته ای از مواد معدنی با ساختمان از جنس اکسید سیلیسیوم با بار متفی است که در یک ساختار کریستالی با یون‌های آهن، منیزیم و آلومینیوم پیوند دارند. سیلیکات‌ها انواع مختلفی دارند از جمله مهم ترین آنها سیلیکات شبکه ای است که معروف ترین آن کواترز می‌باشد و سیلیکات ورقه ای که معروف ترین آنها میکا، تالک، انواع رس، آزبست، کائولین و ... می‌باشند. سیلیکات‌های ورقه ای (phyllosilicates)  به شکل گسترده ای در صنایع رنگ، پلیمر، آرایشی و بهداشتی، صنایع داروسازی، پزشکی و صنایع پیشرفته کاربرد دارند. در ده سال گذشته تلاش‌هایی برای ساخت نانو مواد از سیلیکات‌ها صورت گرفته است که موفقیت آمیز بوده است.

ساختار کریستالی و تعریف سیلیکات لایه ای:

سیلیکات‌های لایه متشکل از کریستال‌های چهار وجهی (tetrahedral) و هشت وجهی (octahedral) هستند که به صورت دو، سه و یا چهار لایه ای کنار یکدیگر قرار گرفته اند. یون تشکیل دهنده کریستال چهار وجهی سیلیسیوم چهار بار مثبت (Si4+) بوده و یون تشکل دهنده کریسال هشت وجهی می‌تواند آهن (Fe2+ و Fe3+ )، آلومینیوم(Al3+) و منیزیم (Mg2+) باشد. در ساختار کریستال چهار وجهی چهار اکسیژن به سیلیسیوم متصل هستند و در ساختار هشت وجهی 6 اتم ( اکسیژن + هیدروکسیل) به یون مرکزی متصل هستند. از نقطعه نظر نحوه تشکیل کریسال و تقسیم بندی می‌توان کریستال‌های سیلیکات لایه ای را به شکل زیر توصیف کرد.

 

تشکیل سیلیکات لایه ای از ساختار چهار وجهی SiO₄^-4  آغاز شده که در آن سه اتم اکسیژن از چهار اکسیژن متصل به سیلیسیوم به ساختارهای چهار وجهی مشترک بوده و ساختاری با فرمول شیمیایی Si₂O₅^-2  را ایجاد می‌کند. این ساختارهای چهار وجهی تشکیل یک شش ضلعی داده که در وسط آن یون هیدروکسیل قراردارد در نتیجه فرمول Si₂O₅(OH)^-3  ایجاد می‌شود. اتصال اکسیژن چهارم در ساختار چهاوجهی به گروه هیدورکسیل یک ساختار هشت وجهی ایجاد می‌کند. این ساختار هشت وجهی می‌تواند به کاتیون‌ها متصل شده و لایه جدیدی با حضور کاتیون ایجاد شود. ساختار کریستالی سیلیکات لایه ای را بر اساس دو یا سه ظرفیتی کاتیون متصل شده می‌توان به دو دسته تقسیم بندی کرد.

سیلیکات لایه ای سه وجهی (trioctahedral ): اکسیژن یا هیدروکسیل به دو یون عمدتا از نوع  Al⁺³  متصل هستند.

سیلیکات لایه دو وجهی (dioctahedral ): اکسیژن یا هیدروکسیل به سه یون Mg⁺² یا Fe⁺² متصل هستند.

شاخص d001 در سیلیکات‌های لایه ای:

این شاخص نشان دهنده فاصله بین صفحات در سیلیکات‌های لایه است و برای شناسایی نوع کریستال مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور مثال کائولین  و هالوسیت از نظر ترکیبات تشکیل دهنده، نوع کریستال و تعداد صفحات مشابه هستند و تفاوت آنها در شاخاص d001  می‌باشد.

فیلوسیلیکات کریستالی یا سیلیکات لایه (phyllosilicates) موجود در طبیعت را می‌توان به هفت گروه اصلی تقسیم بندی کرد که 5 گروه پر کاربرد آن در ادامه بررسی شده است.

 

 

1-گروه خنثی شامل کائولین و سرپنتین ( KAOLINITE و SERPENTINE)

کریستال کائولین دارای فرمول شیمیایی (Al2) VI(Si2) IVO5(OH)4  می‌باشد. شاخص d001  برای کائولن در حدود 7.16 Å می‌باشد.ساختار صفحه ای کائولن به صورت دولایه ای می‌باشد. هالوسیت (halloysite) نوعی کائولین است با این تفاوت که شاخص d001  در آن در محدوده 10.1 Å  می‌باشد. ساختار لایه ای سرپنتین مشابه با کائولین است با این تفاوت که فرمول شیمیایی آن , (Mg3) VI(Si2) IVO5(OH)4 می‌باشد.

 

2-گروه خنثی سه صفحه ای شامل تالک

تالک معروف ترین کریستال لایه ای است که در این گروه قرار می‌گیرد. شاخص d001  برای تالک در محدوده 9.30 Å قرار داد. فرمول شیمیایی تالک (Mg3) VI(Si4) IVO10(OH)2 است. تالک یک ماده معدنی با میزان سختی پایین است به راحتی تغییر شکل می‌دهد در نتیجه کریستال آن به ندرت دیده شده است. تالک به شدن نرم است و حالت گریسی داشته و در مناطق غنی از منیزیم یافت می‌شود.  گاهی با نام صابون سنگی یا soapstone  نیز شناخته می‌شود.

تالک ماده ای پر کاربرد در صنایع آرایشی و بهداشتی، صنعت رنگ و صنایع پلیمری است.

 

 

3-گروه بار دار و غیر قابل گسترش در حلال قطبی

میکا معروف ترین کریستال باردار و غیر قابل گسترش در حلال قطبی است شاخص d001  آن در محدوده 10 می‌باشد. و فرمول شیمیایی آن (Al2) VI(Si3.1-3.2Al0.9-0.8) IVO10(OH)2K0.8-0.9 است. از جمله دیگر سیلیکات‌های این گروه می‌توان به مسکوویت (Muscovite) اشاره کرد. این گروه نیز مانند تالک ساختار سه صفحه ای دارند.

میکا به دو گروه اصلی میکا دو وجهی (dioctahedral)  وسه وجهی (trioctahedral) تقسیم بندی می‌شود. که در دو نوع میکا سفید و میکا مشکی( یا قهوه ای) یافت می‌شود.

 

4-گروه با بار کم تا متوسط و قابل گسترش در حلال قطبی

مهم ترین سیلیکات این گروه اسمکتیت (SMECTITES) است. معروف ترین سیلیکات از نوع اسمکتیت (dioctahedral smectites) به مونتموریلونیت (montmorillonite) معروف است که فرمول شیمیایی آن (Al1.67Mg0.33) VI(Si4) IVO10(OH)2M+ 0..33.nH2O می‌باشد. از مونتموریلونیت برای تهیه نانو رس استفاده می‌شود.

 

5-گروه خنثی با ساختار سه صفحه ای

کلریت‌ها (Chlorites) معروف ترین سیلیکات سه لایه ای خنثی هستند. فرمول شیمیایی آن (Mg6-x-yFe2+yAlx) VI(Si4-xAlx) IVO10(OH)8 است.